隨著Internet技術(shù)與信息家電帚称、工業(yè)控制技術(shù)等的結(jié)合日益緊密秽澳，嵌入式設備與Internet的結(jié)合已成為大勢所趨。此時期新的微處理器層出不窮楼吃，要求嵌入式操作系統(tǒng)的設計更加便于移植芙糙，支持更多的微處理器骨矗。 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)需要強大的硬件開發(fā)工具和軟件支持包。通用計算機上使用的新技術(shù)象讶、新觀念開始逐步移植到嵌入式系統(tǒng)中，如嵌入式數(shù)據(jù)庫棺玫、移動代理竭撇、實時CORBA等。各類嵌入式Linux操作系統(tǒng)在全球數(shù)以百萬計愛好者的合力開發(fā)下迅速發(fā)展你义，由于具有源代碼開放况既、系統(tǒng)內(nèi)核小、執(zhí)行效率高棒仍、網(wǎng)絡功能強莫其，多媒體人機交互界面友好等特點，很適合信息家電等嵌入式系統(tǒng)的需要浇揩。

　　一吕晌、嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)特點

　　早期的嵌入式系統(tǒng)設計方法睛驳，通常采用“硬件優(yōu)先”原則膜廊，即在只粗略估計軟件任務需求的情況下，首先進行硬件設計與實現(xiàn)牲耐。然后桂喂，在此硬件平臺上再進行軟件設計。因而很難達到充分利用軟硬件資源成揍，取得最佳性能的效果冻款。同時，一旦需要對設計進行修改時倚辟，整個設計流程將重新進行舰桑，這對成本和設計周期的影響很大。這種傳統(tǒng)的設計方法只能改善軟件/硬件各自的性能弧岳，在有限的設計空間不可能對系統(tǒng)做出較好的性能

　　上世紀90年代以來，隨著電子系統(tǒng)功能的日益強大和微型化艺演，硬件和軟件也不再是截然分開的兩個概念桐臊，而是緊密結(jié)合、相互影響的伤提。因而出現(xiàn)了軟硬件協(xié)同（codesign）設計方法，即使用統(tǒng)一的方法和工具對軟件和硬件進行描述柿癞、綜合和驗證哩讶。在系統(tǒng)目標要求的指導下，通過綜合分析系統(tǒng)軟硬件功能及現(xiàn)有資源誊配，協(xié)同設計軟硬件體系結(jié)構(gòu)卡涮，以最大限度地挖掘系統(tǒng)軟硬件能力，避免由于獨立設計軟硬件體系結(jié)構(gòu)而帶來的種種弊病铝儒，得到高性能低代價的優(yōu)化設計方案倾皿。

　　二惩阶、嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

　　在網(wǎng)絡断楷、通信崭别、微電子發(fā)展的基礎上茅主，以及勢不可擋的數(shù)字化信息產(chǎn)品的強大需求推動下，嵌入式技術(shù)具有廣闊的發(fā)展創(chuàng)新空間响牛。

　⊙酱颉（1）低功耗糯笙、高性能、高可靠性的系統(tǒng)需求對我國芯片設計是一個機遇相誓。以嵌入式處理 器為領(lǐng)頭的國產(chǎn)CPU前忿、片上系統(tǒng)（SoC）确列、片上網(wǎng)絡系統(tǒng)（NoC）將有很大的發(fā)展我昵。

　　（2）Linux正逐漸成為嵌入式操作系統(tǒng)的主流绷匀；J2ME技術(shù)也將對嵌入式軟件的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響彻秆。目前自由軟件技術(shù)備受青睞，并對軟件技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推動作用酒朵。嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核不僅需要具有微型化、高實時性等基本特征扎附，還將向高可信性蔫耽、自適應性、構(gòu)件組件化方向發(fā)展留夜；支撐開發(fā)環(huán)境將更加集成化匙铡、自動化、人性化碍粥；系統(tǒng)軟件對無線通信和

　〉驼（3）Java虛擬機與嵌入式Java將成為開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的有力工具。嵌入式系統(tǒng)的多媒體化將變成現(xiàn)實环自。它在網(wǎng)絡環(huán)境中的應用已是不可抗拒的潮流，并將占領(lǐng)網(wǎng)絡接入設備的主導地位赏赔。

　±拙搿（4）嵌入式系統(tǒng)與人工智能肺灭、模式識別技術(shù)的結(jié)合开泽，將開發(fā)出各種更具人性化穆律、智能化的實際系統(tǒng)。智能手機导俘、數(shù)字電視峦耘，以及汽車電子的嵌入式應用，是這次機遇中的切入點趟畏。伴隨網(wǎng)絡技術(shù)贡歧、網(wǎng)格計算的發(fā)展，以嵌入式移動設備為中心的“無所不在的計算”將成為現(xiàn)實赋秀。

　　三、嵌入式系統(tǒng)在機器人技術(shù)中的應用

　　不論是在工業(yè)控制中律想，還是在商業(yè)領(lǐng)域里猎莲，機器人技術(shù)都得到了廣泛的應用。從用于生產(chǎn)加工的傳統(tǒng)工業(yè)機器人到豐富大眾生活的現(xiàn)代娛樂機器人霸碰，都與嵌入式系統(tǒng)密不可分∈螅現(xiàn)有的大多數(shù)機器人，都采用單片機作為控制單元匣描，以8位和16位最為常見豌楷，其處理速度較低，沒有操作系統(tǒng)，無法實現(xiàn)豐富的多任務功能彭倡，系統(tǒng)的潛力沒有得到充分的發(fā)掘和應用看群。

　　基于ARM9的機器人視覺系統(tǒng)的目標是在選定好的S3C2410平臺上移植并配置Linux操作系統(tǒng)，針對平臺和應用的特點赴笨，制作合適的文件系統(tǒng)涯锅，為機器人視覺系統(tǒng)構(gòu)建穩(wěn)定的軟硬件開發(fā)環(huán)境。其次編寫應用程序忆键，通過S3C2410平臺漱南，從USB攝像頭實時采集圖像，并利用這款嵌入式處理器的強大運算能力憋庙，對圖像進行后期的處理笔喉，完成目標識別與定位，作為機器人動作單元的輸入硝皂。最后針對機器人關(guān)節(jié)所使用的電機然遏，編寫特定的設備驅(qū)動程序，保證操作系統(tǒng)可準確地控制機器人動作吧彪，響應視覺處理的結(jié)果待侵，開發(fā)一套完整的“機器人視覺系統(tǒng)”。

　　1. 硬件平臺的選型和搭建

　　機器人系統(tǒng)如圖1所示姨裸。全身由24個舵機組成秧倾，控制24個關(guān)節(jié)。通過對舵機的控制傀缩，可實現(xiàn)機器人的動作那先。

　　（1）視覺系統(tǒng)

　　采用USB攝像頭作為視覺采集器件赡艰。其優(yōu)點是接口通用售淡，驅(qū)動豐富，傳輸速率快慷垮。同時揖闸，Linux操作系統(tǒng)對于USB設備的支持較好，方便了應用程序的編寫和調(diào)試徽榄。網(wǎng)眼（WebEye）v2000攝像頭阐赖，采用了ov511芯片（Linux源代碼中有相應的驅(qū)動程序），適合用于開發(fā)胰薪。

　　這里采用高端的32位嵌入式微處理器：基于ARM體系結(jié)構(gòu)的S3C2410芯片（由三星公司生產(chǎn)）皆舅，其主頻為200MHz。它提供了豐富的內(nèi)部設備：分開的16kB指令Cache和16kB數(shù)據(jù)Cache蓄士、MMU虛擬存儲器管理特植、LCD控制器哆卓、支持NAND Flash系統(tǒng)引導、系統(tǒng)管理器逝惑、3通道UART岂苏、4通道DMA、4通道PWM定時器叹盼、I/O端口报斗、RTC、8通道10位ADC和觸摸屏接口运杭、IIC-BUS接口夫啊、USB主機、USB設備辆憔、SD主卡和MMC卡接口撇眯、2通道的SPI以及內(nèi)部PLL時鐘倍頻器。S3C2410采用了ARM920T內(nèi)核虱咧，0.18μm工藝的CMOS標準宏單元和存儲器單元熊榛。

　　（2）硬件平臺組成

　　見圖2腕巡，一塊核心母板玄坦，配備CPU、16MB的NOR Flash绘沉、64MB的NAND Flash煎楣、32MB的SDRAM，并設置系統(tǒng)從NAND Flash啟動车伞；一塊外設電路板择懂，負責系統(tǒng)

　　分開設計的好處有：升級核心母板可實現(xiàn)系統(tǒng)處理能力的提高擦斑；而更換外設電路則可適應不同的應用。這樣就大大節(jié)約了硬件成本毕模，對于開發(fā)和調(diào)試也是非常有利的昵诅。同時，核心母板本身就是一個最小系統(tǒng)腌哎，在嵌入式系統(tǒng)設計中，保證最小系統(tǒng)的可靠性是開發(fā)的第一步瘩穆。

　　調(diào)試核心母板以及外設電路至工作正常晰淋。確保開發(fā)板與PC機通信（利用Windows下的超級終端工具，通過串口線連接開發(fā)板與PC機）。

　　2. 軟件平臺的構(gòu)建和配置

　　目前乘儒，越來越多的嵌入式系統(tǒng)采用了Linux作為操作系統(tǒng)苔寝。Linux功能強大，運行穩(wěn)定塑猖，驅(qū)動齊全竹祷，配置靈活，內(nèi)核緊湊羊苟，從來就與嵌入式系統(tǒng)有密不可分的關(guān)系塑陵。Linux內(nèi)核版本眾多，其中2.4系列比較成熟蜡励，在嵌入式平臺中應用廣泛令花，資料齊全。這里使用Linux- 2.4.18-rmk7-pxa1版本凉倚。

　　a. 配置開發(fā)板軟件環(huán)境

　　將系統(tǒng)引導程序（俗稱bootloader兼都，其功能相當于PC機中的BIOS）燒寫進入S3C2410核心母板。這里采用了三星公司推薦的vivi程序稽寒。通過對vivi中參數(shù)的設置扮碧，完成對Flash的分區(qū)。

　　b. 配置杏糙、編譯慎王、下載內(nèi)核

　　（1）下載源代碼敛意，在PC端建立交叉編譯環(huán)境她忱；armv4l-unknown-linux-gcc可以將Linux內(nèi)核編譯為適用于ARM體系結(jié)構(gòu)的二進制代碼；

　〗汗础（2）配置內(nèi)核：使用make menu-config命令园秫，將USB設備支持、USB攝像頭驅(qū)動（針對OV511芯片）爹窥、NAND Flash驅(qū)動峡稿，以及掛載嵌入式文件系統(tǒng)所需要的驅(qū)動程序靜態(tài)編譯到內(nèi)核中；

　〔残怼（3）編譯內(nèi)核：使用交叉編譯工具土叠，將源代碼編譯為可執(zhí)行二進制內(nèi)核鏡像，生成文件zImage拭秃；

　」共恰（4）下載內(nèi)核：將zImage通過串口線，利用vivi的數(shù)據(jù)燒寫功能蔓献，下載到Flash的內(nèi)核分區(qū)中（kernel）歪榕；

　　c. 制作文件系統(tǒng)

　　嵌入式系統(tǒng)中常見的文件系統(tǒng)有CRAMFS基公、JFFS、JFFS2宋欺、YAFFS等轰豆。考慮到實際的需求齿诞，這里采用了CRAMFS酸休。在內(nèi)核配置時對CRAMFS的驅(qū)動代碼進行靜態(tài)編譯，并且利用mkcramfs工具制作經(jīng)過仔細裁剪的文件系統(tǒng)映像祷杈，利用vivi的燒寫指令下載到Flash的root分區(qū)斑司。最終的文件系統(tǒng)映像小于3MB，這是由嵌入式系統(tǒng)較為緊張的存儲資源決定的吠式。

　　啟動系統(tǒng)陡厘，通過PC機的超級終端，可看到啟動信息：包括內(nèi)核的版本特占、Flash分區(qū)表糙置、交叉編譯器的版本，以及內(nèi)核中靜態(tài)編譯的組件等是目。

　　3. 驅(qū)動程序的編寫和應用程序的開發(fā)

　　視覺功能的最終實現(xiàn)谤饭，首先需要為機器人的關(guān)節(jié)電機編寫驅(qū)動程序，使操作系統(tǒng)可完成對機器人動作的控制耗亮，作為對視覺結(jié)果的響應诚悍。視覺絕非最終目的，而是機器人獲取信息的一種途徑筐知，其根本目的在于為機器人的動作毛师、行為提供策略或數(shù)據(jù)支持。單純的視覺并沒有意義符固。

　　機器人全身的關(guān)節(jié)均為舵機族江。舵機結(jié)構(gòu)簡單，控制方便拓肉，外部只有3個引腳：電源站号、地、PWM信號瘩朋。對舵機的控制實際上就是要產(chǎn)生頻率尔减、脈寬合適的PWM波。

　　S3C2410芯片內(nèi)部集成4個PWM發(fā)生單元券亚。驅(qū)動程序利用其中的一個作為機器人頭部電機的控制信號源缓艳，通過改寫寄存器的值，改變頻率和占空比看峻，產(chǎn)生期望的PWM波郎任。

　　將驅(qū)動程序交叉編譯為模塊秧耗，在系統(tǒng)啟動后動態(tài)地插入內(nèi)核中备籽。模塊加載前獨立于內(nèi)核舶治，方便了驅(qū)動程序的調(diào)試。編寫簡短的測試程序车猬，確認關(guān)節(jié)電機可以正常工作霉猛。

　　這里為機器人視覺系統(tǒng)搭建了一個實際的應用場景：活動的目標小球在背景中運動，期望機器人可以識別目標并對其定位珠闰，最后控制頭部跟隨目標運動（好像機器人在盯著活動目標觀察一樣）惜浅。

　　機器人視覺處理程序的主要功能為：

　　（1）從USB攝像頭實時讀取視頻數(shù)據(jù)伏嗜，進行簡單的預處理坛悉；

　　（2）隨后進行圖像處理承绸，主要完成空域的圖像增強琴市。通過對圖像進行二值化，將目標小球從背景中提取出來伸危；

　∈獠觥（3）計算目標的位置，進而計算出機器人頭部的旋轉(zhuǎn)角度欺邻，通過舵機驅(qū)動程序嗤舀，控制機器人頭部轉(zhuǎn)動到目標所在角度，實現(xiàn)對目標物體的跟蹤橘抵。

　　經(jīng)過實驗工杀，機器人頭部可較好地跟蹤目標，實現(xiàn)了視覺原型系統(tǒng)甲脚。

　　4. 拓展性工作

　　機器人視覺系統(tǒng)的開發(fā)只是嵌入式系統(tǒng)在機器人領(lǐng)域中應用的一個方面估裁。事實上，還有很多值得我們繼續(xù)去實現(xiàn)的子系統(tǒng)绿锋，諸如語音系統(tǒng)（語音識別崩旱、語音輸出）、行走控制（設計算法澄港，實現(xiàn)平穩(wěn)的行走）椒涯、網(wǎng)絡系統(tǒng)（未來的機器人將不再會是獨立的個體，多機器人的協(xié)同工作是必然的趨勢回梧；同時废岂，機器人同其他設備的連接需求也越來越迫切）等等。應當承認狱意，雖然目前的嵌入式處理器已

　　四捌臊、嵌入式系統(tǒng)的前景

　　從本文所述的機器人視覺系統(tǒng)中就可看出嵌入式系統(tǒng)的強大功能與廣闊應用領(lǐng)域杨蛋。在當今數(shù)字信息和網(wǎng)絡技術(shù)高速發(fā)展的后PC（Post-PC）時代，嵌入式系統(tǒng)已被廣泛應用于移動計算平臺（PDA肘认、掌上計算機）蛹段、信息家電（數(shù)字電視、機頂盒舞铝、網(wǎng)絡設備）捞书、無線通信設備（智能手機、股票接收設備）辞垦、工業(yè)/商業(yè)控制（智能工控設備并臊、POS/ATM 機）、電子商務平臺怎棋、甚至軍事應用等諸多領(lǐng)域帆疚，其前景無疑是令人非常樂觀的。

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